深层地热能取热技术研究现状

张曦 李杰

摘 要：近年来，我国雾霾天气越来越严重，受到国际社会的广泛关注。为积极应对日益严重的雾霾问题，国家积极推广使用清洁能源，提高清洁供暖的比重，减少雾霾，提高空气质量。深层地热能是一种分布广泛、洁净高效的可再生绿色新型能源，开发利用过程对环境影响较小。本文对深层地热能的特性进行阐述，并分析了深层地热能取热技术，对深层地热能干热岩取热技术进行具体分析，为后续干热岩取热技术在实际工程的应用提供支撑。

关键词：清洁供热；深层地热能；取热技术；干热岩；洁净高效

中图分类号：P314；TU832 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）20-0139-03

Research Status of Deep Geothermal Energy Extraction Technology

ZHANG Xi LI Jie

（Henan Provincial Academy of Building Research，Zhengzhou Henan 450053）

Abstract： In recent years， China's smog has become more and more serious， which has attracted extensive attention from the international community. To tackle the increasingly severe smog problem， the state has actively promoted the use of clean energy， increased the proportion of clean heating， reduced smog and improved air quality. Deep geothermal energy is a kind of renewable green energy with wide distribution， clean and efficient. This paper expounded the characteristic of deep geothermal energy， and analyzed the deep geothermal heat removal technology， and the heat taken from the deep hot dry rock geothermal energy technology analysis was introduced in detail， for subsequent heat taken from the hot dry rock technology in practical engineering application support.

Keywords： clean the heating；deep geothermal energy；heat removal technology；hot dry rock ；clean and efficient

1 研究背景

隨着我国经济科技水平的不断提高，各行业对能源的需求越来越强烈，资源的日益紧张成为我国政府急需解决的问题，尤其是近年来北方地区受到雾霾的持续侵扰，严重影响人们的正常生活起居。雾霾已成为影响人民生活水平和社会和谐发展的重要因素[1]。根据相关研究结果可知，形成雾霾天气的三大主要污染源分别是燃煤、机动车尾气和扬尘，其中冬季采暖燃煤是引起雾霾天气的主要污染源之一。由此，实施清洁取暖成为各级政府未来工作的重要内容。冬季清洁取暖工作的开展是我国积极应对环境污染，努力改善人民生活水平，着力提升人民幸福感和获得感的重大举措。

深层地热能作为新兴的洁净绿色能源，其取之不尽、用之不竭的特性被能源领域等行业越来越重视，且安全可靠、绿色节能，取热技术相对较为简单，对地域要求较低，可在北方地区大范围推广。利用深层地热能具有节约能源、减少污染、有利生产、方便生活的综合经济效益、环境效益和社会效益。深层地热开发利用的方针和原则是“坚持因地制宜，广开热源，技术先进，经济合理”，逐步提高城市集中供热的普及率。

2 深层地热能的特点及优势

深层地热能主要分布在距地面2 000m以上的深处，且岩土平均温度为150～350℃，垂直分布范围广泛。依据我国中深层地热能利用率可知，我国2020年地热能开发利用量将达到5 000万t标准煤。依据我国地质构造，深层地热流处于板块构造的活跃带，在云南、四川、西藏、京津冀和环渤海等地区分布有较高的大地热流和范围较大的侵入岩体，我国具有开发利用深层地热能的地域优势和基本条件。

2.1 储量丰富、分布广泛

深层地热能在地壳内分布极为广泛，初步估算，我国在2 000m深处得出地热能相当于2 600亿t的标准煤。深层地热能一般不受场地条件制约，每个居民建筑区下都有地热能，开发地热能在地面上具有普遍性。绿色环保无废气、废液和废渣等任何排放，能量来自地热，治污减霾成效显著。

2.2 安全可靠、利用率高

第一，深层地热能不受天气、季节的影响。取热系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与高温岩层换热，不抽取地下水，防止长时间热交换出现岩土热失衡。第二，安全可靠。孔径小（200mm），深度在2 000m以下，地下部分无运动设备，对建筑地基的影响几乎可忽略不计；利用地下高温热源供热，系统稳定，系统寿命长。地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，寿命与建筑寿命相当。第三，高效节能。专用的吸热导热装置与新材料的使用提高了地下吸热导热效率，一个换热孔可以解决1～1.3万m2建筑的供暖。

3 深层地热泵取热技术

深层地热泵取热技术依据取热方式的不同可分为深层地热流体取热技术、深层地热能埋管技术和干热岩取热技术等。

3.1 深层地热流体取热技术

深层地热流体取热技术是通过深层钻井技术，将深层流体的热量抽出，与地面的热交换系统完成换热，达到对建筑体供暖的目的。

3.2 深层地热能埋管技术

深层地热埋管技术向深层岩层中钻井，将低温流体介质注入钻井或者埋管中，低温流体与周围高温岩体换热，将岩体的热量提取出来，与地表的循环系统完成换热后重新注入井内在此换热，形成一个完整的闭合回路。

3.3 干热岩取热技术

开发干热岩资源的原理是从地表往干热岩中打一眼井（注入井），对井口封闭后，向井内注入高压低温水源，井底部出现较高的压力。在岩体致密无裂隙的情况下，高压水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂缝。岩体本身有天然不裂隙纹路，高压水使裂缝扩展变得更大。裂缝的开裂方向由于受到垂直地应力的影响。随着低温水的不断注入，裂缝的开裂程度不断增加、扩大，最终裂隙并相互连通，形成的储存热量的构造大致呈面状分布，且具有较好的换热能力。然后，在距离注入井合适的位置通过钻井将人工储热面的热量提取出来的井称为生产井。注入的水通过注入井沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热量的交换，产生温度高达200～300℃的高温高压水或水汽混合物。通过人工储热的构造提取的热量用来居民供暖和能源阶梯综合利用。经过循环之后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。

4 干热岩取热压裂技术探究

干热岩能源是蕴藏在地球内部含量丰富的洁净绿色能源，是一种不可或缺的可再生能源，极具开发利用前景。干热岩（HDR），也称增强型地热系统（EGS），或称工程型地热系统，是一般温度大于200℃，埋深地下数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分变化较大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩，但也可以是中新生代的变质岩，甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩主要被用来提取其内部的热量，因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。

干热岩地热资源不仅覆盖范围广，且在开发利用过程中，既无CO2、SOx、NOx等气体排放，也无其他固液废弃物排放，对环境的影响几乎为零。干热岩地热开发安全可靠，钻井过程危险较小。干热岩地热开发利用的过程中，不受周围自然环境的影响。欧美与日本实例数据表明，深层干热岩极具开发前景，通过技术升级，比煤炭等石化能源具有更广阔的应用前景。

4.1 干热岩取热技术分类

4.1.1 人工高压裂隙模式。通过注入井将高压注水到井底，即通过人工高压注水到井底，高温的岩体受到低温水的冷缩裂变形成很多裂隙，低温水通过这些裂隙将岩体中的热量提取出来完成热量交换。储层的渗透率由压裂裂隙的宽度和联通程度决定。通过压裂使裂隙联通，隙宽变大，可以大幅度减少储层水流阻力。压裂方案的选取应根据储层应力状态确定压力大小、深度和时间等。水利激发原理见图1。

4.1.2 自然裂隙模式。该模式主要以岩体本身的构造为依据。岩体本身具有天然裂隙，会阻止人工高压注水引起的裂隙，进一步纵深发展开裂，但同时会使裂隙在横向进一步发育扩大，增加注入水与岩体的换热面积，同时增加裂隙的透水性能。在這种模式下，注入水的换热性能大幅度增加，热量的交换也更加充分。

4.1.3 自然裂隙-断层模式。岩层本身具有断裂层并利用岩石的天然裂隙，通过将断裂层与裂隙两者相互融合，使换热系统渗透性更好。该技术方案的优势是利用岩石的天然断裂层，即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。通过钻井注入的水顺着裂隙运动并与周边的岩石进行热量交换，注入的低温水与高温岩体接触后变为高温水和水汽混合物。生产井的高温蒸汽到达地面，通过热交换及地面循环装置用于居民供暖和多阶梯综合利用。通过热交换后的温水又通过回灌井注入到地下干热岩体中，可以循环利用，达到节能环保的目的。其中，裂缝长度、宽度和间距是影响热储层有效换热面积的主要因素，同时其也与储层阻力和储层的低渗透率密切相关。

4.2 深层地热能应用实例

4.2.1 实例一。陕西某县住宅楼，建筑面积约为2.5万㎡，建筑热负荷约5 802kW，对一个采暖季深层地热能系统进行监测，监测结果见表1。深层地热能现场图片见图2。

运行费用：供暖季为4个月，平均电价为0.52kW·h。负荷运行依据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）。不同负荷区间机组+水泵耗电量见表2。

上述表格中可得到：一个采暖季节约运行费用101万元，对深层地热能进行折算以100万m2建筑为例，与常规燃煤锅炉相比，深层地热能可替代燃煤1.6万t，减少CO2排放量约为4.3万t，减少SO2排放量为136t。

4.2.2 实例二：西藏羊八井深层地热能应用。羊八井地热田地温梯度在2 300m以上逐渐增大，超过2 300m后地温梯度逐渐减小；从大地热流来看，幔源热流所占比例为53.7%。用PTS测井仪进行全孔温度、压力测定，显示地下温度呈两段结构，浅部热储约150℃，深部达260℃，最高270℃。羊八井深部结构见图3。

5 结论

我国正处于高速发展的时期，北方地区雾霾问题与能源危机引起各方重视，国家为治理雾霾天气制定了一系列的激励补贴政策，推广使用新型节约能源是能源改革的重要举措。集中供暖得到了大力推广，深层地热能开发利用必将迎来发展的高峰期。深层地热能的发展利用主要以供暖和供电为主，供暖为重中之重，深层地热供暖从单一单体规模较小建筑体逐渐向大规模群体发展，开发深度也逐渐增加，随着技术的进步，深层地热能朝着多级阶梯高效利用发展。

综上所述，地热能因其洁净、无污染被能源行业所重视，对深层地热能的开发利用，要因地制宜，高效地利用能源。随着我国科技的进步，深层地热能的开发利用技术水平也逐步提高，深层地热能将会在我国新能源领域中占据越来越重要的位置，我国北方地区的雾霾天气也将得到极大的改善和提高。

参考文献：

[1]张越，孙洁，孙静.河南省浅层地热能的开发利用[J].河南科技，2011（5）：73.